Kontrollierte Rotation menschlicher Beobachter in einer Virtual-Reality-Umgebung

Viele Hinweise verbinden sich unter natürlichen Bedingungen, um ein Gefühl der Selbstbewegung zu erzeugen¹. Ein solches Gefühl zu erzeugen ist ein Ziel in vielen Erholungs-, Gesundheits- und Bildungs-VR-Anwendungen 2,3,4,5, und einfach zu verstehen, wie sich Hinweise verbinden, um ein Gefühl der Selbstbewegung zu vermitteln, war ein langfristiges Unterfangen von Neurowissenschaftlern 6,7,8,9,10,11 . Die drei wichtigsten Klassen von Hinweisen für die Wahrnehmung von Eigenbewegungen sind visuell, vestibulär und propriozeptiv¹. Alle drei verbinden sich kongruent während der natürlichen aktiven Bewegung in der realen Welt, um ein robustes und reiches Gefühl der Selbstbewegung zu vermitteln. Um die Rolle jeder Klasse von Hinweisen zu verstehen und ein Gefühl dafür zu bekommen, wie sich Hinweise kombinieren, haben Forscher experimentellen Beobachtern traditionell einen oder mehrere Hinweise vorenthalten und / oder Hinweise miteinander in Konflikt gebracht ^1,12. Zum Beispiel, um rotationale vestibuläre Hinweise in Abwesenheit von propriozeptiven Hinweisen bereitzustellen, kann ein Beobachter passiv von einem motorisierten Stuhl^13,14,15,16 gedreht werden. Es hat sich gezeigt, dass eine solche passive Bewegung sehr überzeugende Hinweise auf die Selbstbewegung^{liefert 17}. Kontrollierte visuelle Hinweise, die von einem VR-Headset bereitgestellt werden, können kongruent oder inkongruent mit der Stuhlbewegung sein oder ganz fehlen. Propriozeptive Hinweise können hinzugefügt werden, indem der Betrachter den Stuhl aus eigener Kraft drehen lässt, z. B. indem er den Stuhl mit den Füßen herumschiebt.

Hier wird eine Methode vorgestellt, um einen Bürodrehstuhl in ein Medium zu verwandeln, um den Körper eines Beobachters physisch zu drehen und diese Bewegung in eine visuelle (und möglicherweise auditive) virtuelle Erfahrung zu integrieren. Die Rotation des Stuhls kann unter der Kontrolle des Beobachters, eines Computerprogramms oder einer anderen Person wie des Experimentators erfolgen. Die vom Beobachter gesteuerte Rotation kann passiv sein, indem die motorgetriebene Rotation eine Funktion der Position des Handreglers des Beobachters ist, oder aktiv sein, indem der Stuhl ausgeschaltet wird und der Beobachter den Stuhl selbst dreht.

Ebenfalls vorgestellt wird eine psychophysische Anwendung für diesen Stuhl/VR-System. Diese Beispielanwendung unterstreicht die Nützlichkeit der kontrollierten passiven Rotation eines Beobachters für das Verständnis, wie Selbstbewegungshinweise interagieren, um allgemeine Wahrnehmungserfahrungen zu erzeugen. Das spezifische Ziel war es, Einblick in eine lang untersuchte visuelle Illusions-induzierte Bewegung^{zu erhalten 18,19}. Bei induzierter Bewegung wird ein stationäres oder sich bewegendes Ziel wahrnehmungsweise von einem sich bewegenden Hintergrund “abgestoßen”. Wenn sich beispielsweise ein roter Zielpunkt vertikal nach oben gegen ein Feld blauer Punkte bewegt, die sich nach rechts bewegen, scheint sich der Zielpunkt wie erwartet nach oben, aber auch nach links zu bewegen, weg von der Richtung des sich bewegenden^{Hintergrunds 20,21}. Ziel war es, zu testen, ob die Abstoßung ein Ergebnis der Interpretation der Hintergrundbewegung als durch Eigenbewegung verursacht wird^22,23.

Wenn dies der Fall ist, sollte die Hinzufügung einer physischen Rotation, die mit der visuellen Hintergrundbewegung übereinstimmt, zu einem stärkeren Gefühl führen, dass die Hintergrundbewegung auf die Selbstrotation durch eine stationäre Umgebung zurückzuführen ist. Dies wiederum sollte zu einer größeren Tendenz führen, die Hintergrundbewegung von der Zielbewegung abzuziehen, um die Zielbewegung relativ zur stationären Welt²³ zu erhalten. Diese erhöhte Tendenz zum Subtrahieren würde zu einer größeren wahrgenommenen Zielabstoßung führen. Physische Selbstrotation, die entweder mit der Hintergrundbewegung konsistent oder inkonsistent war, wurde hinzugefügt, um dies zu testen. Das hier vorgestellte System ermöglichte die präzise Steuerung der physischen Bewegung und der entsprechenden visuellen Bewegung, um diese Hypothese zu testen. Im Beispiel stand die Stuhlbewegung unter der direkten Kontrolle des Beobachters mit dem Handheld-Controller des VR-Systems.

Obwohl es in der Literatur viele Beispiele für motorisierte Drehstühle für verschiedene VR-Anwendungen gibt 24,25,26,27,28,29^, sind den Autoren eine prägnante Reihe von Anweisungen zur Herstellung eines solchen Stuhls und zur Integration in ein interaktives VR-Erlebnis nicht bekannt. Für den SwiVRChair²⁹ stehen begrenzte Anweisungen zur Verfügung, der in seiner Struktur dem hier vorgestellten ähnelt, aber mit einem anderen Zweck entwickelt wurde, nämlich von einem Computerprogramm gesteuert zu werden, um das Eintauchen in eine VR-Umgebung zu verbessern, in der die Stuhlbewegung vom Benutzer außer Kraft gesetzt werden kann, indem er seine Füße auf den Boden legt. Angesichts der Kosten für kommerziell erhältliche Lehrstühle^30,31 könnte es für einige Forscher eine praktikablere Option sein^, einen “internen” Lehrstuhl zu machen. Für diejenigen, die sich in dieser Situation befinden, sollte das folgende Protokoll von Nutzen sein.

Systemübersicht
Das Protokoll besteht aus Anweisungen zur Umwandlung eines Bürostuhls in einen elektrisch angetriebenen Drehstuhl und zur Integration der Stuhlbewegung in ein VR-Erlebnis. Das gesamte System besteht nach seiner Fertigstellung aus vier Teilen: den mechanischen, elektrischen, Software- und VR-Subsystemen. Ein Foto des gesamten Systems ist in Abbildung 1 dargestellt. Das gezeigte System war dasjenige, das im Beispielexperiment verwendet wurde.

Die Aufgabe des mechanischen Subsystems besteht darin, die obere Welle eines Drehstuhls über einen Motor physisch zu drehen. Es besteht aus einem Bürostuhl, an dem zwei Dinge befestigt sind: eine Riemenscheibe, die an der oberen rotierenden Welle des Bürostuhls befestigt ist, und ein verstellbarer Montagerahmen, der am unteren festen Teil der Welle befestigt ist. An der Halterung ist ein elektrischer Schrittmotor angebracht, an dessen Welle eine Riemenscheibe befestigt ist, die mit der Riemenscheibe auf der oberen Welle des Bürostuhls ausgerichtet ist. Ein Riemen koppelt die Motorscheibe mit der Stuhlscheibe, so dass der Motor den Stuhl drehen kann.

Das elektrische Subsystem versorgt den Motor mit Strom und ermöglicht die elektronische Steuerung des Motors. Es besteht aus einem Motortreiber, einem Netzteil für den Motor, einem Arduino-Board zur Anbindung des Treibers an einen Computer und einem Netzteil für den Arduino (optional). Ein Arduino-Board ist ein beliebtes kleines Board unter Hobbyisten und professionellen Herstellern von elektronischem Gerät, das einen programmierbaren Mikroprozessor, Controller, Ein- und Ausgangspins und (in einigen Modellen) einen USB-Anschluss (hier erforderlich) enthält. Alle elektrischen Komponenten sind in einer speziell modifizierten elektrisch isolierten Box untergebracht. Da für den Transformator, der den Motor mit Strom versorgt, und für die (optionale) Arduino-Stromversorgung Netzstrom benötigt wird und der Motor hohe Betriebsspannungen benötigt, sollten alle elektronischen Arbeiten mit Ausnahme der Niederspannungsarbeiten (Protokollschritte 2.5 bis 2.10 unten) von einer qualifizierten Person ausgeführt werden.

Das Software-Subsystem besteht aus Arduino-Software zur Programmierung des Arduino, Unity-Software zum Erstellen der VR-Umgebung, Steam-Software zum Steuern des VR-Systems und Ardity – einem Unity-Plugin, mit dem Unity mit dem Arduino-Board kommunizieren kann. Diese Software wurde auf einem Gygabyte Sabre 15WV8-Laptop mit Microsoft Windows 10 Enterprise für das Beispielexperiment installiert (Abbildung 1).

Das VR-System besteht aus einem Head-Mounted Display (HMD), einem Handheld-Controller und Basisstationen zur Bestimmung der Position und Ausrichtung des HMD und des Controllers im Weltraum. Das VR-System, das für dieses Projekt verwendet wurde, war das HTC Vive Pro (Abbildung 1).

Im Folgenden wird das Verfahren zum Kombinieren dieser Komponenten beschrieben, um eine virtuelle Erfahrung zu erzielen, die eine physische Rotation (Experiment oder anderweitig) mit einer Stuhlbewegung beinhaltet, die vom Beobachter über den Handcontroller oder vom Host / Experimentator über eine Computermaus oder ein Potentiometer gesteuert wird. Der letzte Teil des Protokolls besteht aus den Schritten, die notwendig sind, um die VR-Erfahrung zu initiieren. Beachten Sie, dass die Methode zum Codieren von Unity, um Versuche und Datensammlungen zu ermöglichen, den Rahmen dieses Manuskripts sprengen würde. Einige Schritte, insbesondere für das mechanische Subsystem, erfordern eine bestimmte Werkstattausrüstung und ein gewisses Maß an Fertigkeit. Grundsätzlich können die vorgestellten Methoden an die Verfügbarkeit dieser Ressourcen angepasst werden. Für einige der eher technischen Schritte werden Alternativen angeboten.